航空無刷起動電機優化限流換相控制策略研究

楊 都，楊光力，吳 娜，卓 亮，江曉波

(1.貴州航天林泉電機有限公司(國家精密微特電機工程技術研究中心)，貴州 貴陽，550008；2.空裝成都局駐貴陽地區第一軍代表室，貴州 貴陽，550008)

0 引言

航空無刷起動電機作為先進飛行器的一種可靠起動設備，在國際主流飛機的渦輪發動機起動應用領域越來越廣。起動電機主要功能為將渦輪發動機從零轉速帶動到可以穩定燃燒的點火轉速狀態，是渦輪發動機起動點火必不可少的設備。如何優化無刷直流起動電機控制策略，降低轉矩脈動，提升轉矩輸出能力，一直是行業的技術難點[1-2]。

部分文獻通過優化電流調制策略改善了轉矩脈動，馬匯海等人通過在逆變電路前端引入BUCK變換器調制抑制了換相轉矩脈動[3]。文獻[4]提出一種基于輔助升壓前端的無刷直流電機換相轉矩脈動抑制方法。文獻[5]提出一種基于最優電流矢量的無刷直流電機驅動方法以降低轉矩脈動。文獻[6]將逆變橋中點鉗位型三電平代替傳統兩電平，通過提高電壓利用效率達到了降低轉矩脈動的目的。文獻[7]提出了一種改進的重疊換相法以降低轉矩脈動。以上控制策略優化方法均以改善換相轉矩為目的，沒有提高電機輸出轉矩的平均值。因此一些學者為提高輸出轉矩也開展了許多研究，文獻[8]通過改進零序電壓信號處理技術，優化了換相控制方案，提升了無位置控制時的電機轉矩輸出值。文獻[9]針對傳統換相策略導致的換相時機錯位問題，通過提高PWM波形占空比的方式補償損失轉矩，但不適用于限流控制對占空比有限制的工況。文獻[10]采用比例諧振控制代替電流環的PI控制，削弱了定子電流高次諧波的干擾，但控制程序復雜且效果并不明顯。文獻[11]通過磁鏈觀測的MTPA算法(MTPA)校正電機換相點，改善了電機工作性能，此算法計算量過大，不利于航空起動電機的快速起動。文獻[11]提出了一種可變導通周期控制策略，降低轉子渦流損耗以提升輸出轉矩，但該方法只在高轉速階段效果明顯。

本文以某型發動機的無刷起動電機及控制器為研究對象，研究了傳統開環控制和標準角換相策略的弊端，并分析了相電流限流控制策略下采用傳統換相角模式下對電機輸出轉矩的損失原理，并提出一種在限流控制下的偏轉角換相策略，通過仿真對比和試驗驗證了該優化策略，證明了優化策略的有效性。

1 限相電流控制策略研究

應用于航空發動機的無刷起動電機，供電電壓一般為GJB181B—2012《飛機供電系統》規定的28 VDC，屬于低壓供電系統。其較低的電壓特征決定了電機的功率受到限制，主要表現為轉速和轉矩受限，因此航空起動電機一般將電樞電阻和電感設計在較低水平，以提升起動電機對大電流的承受能力和高轉速特征。

本文研究的航空起動電機類型為兩相導通矩形波驅動的無刷直流電機，其主要參數特性如表1所示，其功率電路拓撲如圖1所示。

表1 電機輸出轉矩實測值

圖1 逆變器功率電路拓撲

在起動電機帶發動機加速過程中，對于低轉速段而言，由于電機阻抗較小，如圖3所示，直接加載滿電壓將會使得電樞電流達到千安級別，而逆變器的功率器件和電機電樞繞組無法承受如此巨大的電流，導致發熱燒毀，因此在低轉速段，一般采用限相電流幅值控制。

圖2 電流開環控制電路模型

圖3 開環控制的相電流波形

通過優化控制外電路，在原控制電路中的3對上下橋臂分別增加正向和反向電流控制開關SW-IM模塊，將采集的相電流與參考設定值比較，通過調節逆變器的PWM控制信號占空比間接調節電機輸入電壓，實現降壓起動，同時將電機相電流控制在功率管和繞組發熱量可以接受的最高水平，以盡量提高電機輸出轉矩。

本文研究的起動電機功率模塊最大可承受500 A電流，因此將參考值設定為500 A，上下開關范圍設置為5 A，即可實現相電流限幅功能。優化后的仿真電路模型如圖4所示，該電路控制得到的電流波形如圖5所示。

圖4 電流限幅控制外電路

圖5 限流控制的相電流波形

由上述電流波形可知，通過增加電流控制開關，實現了電流幅值控制在500 A上下，其中“凹陷”為換相電勢產生的換相沖擊電流。通過將電流控制在功率管最大承受電流，可以在保證工作安全性和可靠性的同時，盡可能提高輸出轉矩，保證起動電機的帶載能力。

2 換相策略分析及優化

由于開關頻率和繞組感性的影響，電機相電流波形并非標準矩形波，存在上升和下降過程。以圖6為例，在50°后A相橋臂功率管關斷后，到θ1角度時，采用限流控制的相電流幅值相比于開環控制大幅減小，而此時由于PWM占空比將電壓限制在較低水平，另外兩相的電流上升速度緩慢，導致換向過程中的轉矩波形出現大幅下跌，整體輸出轉矩平均值下降。

圖6 開環電流控制和限流控制對比

在傳統控制方式中，以d軸對齊A相繞組中線為零位，采用三相六狀態換相策略，需要將換相角度控制在均分的60°電角度理想周期位置，對應于本文研究的6極電機應為20°機械角度。此時，無刷直流電機輸出電磁轉矩可表示為：

(1)

式中：TEM為電機電磁轉矩，p為電機極對數，Ψm為電機每相磁鏈，Irms為每周期相電流有效值。

采用PWM限相電流幅值控制策略時，由于將電機輸入電壓限制在一個較低水平，在開通功率管后，相電流上升速度受到限制，與開環控制相比到達限流峰值水平的時間將延遲，如果采用相同的開通角度控制，在相同轉子位置輸出的轉矩瞬時值將變小，此過程中的A相電流可表示為：

(2)

同時在換相關斷過程中初始電流減小，與開環控制相比將更快下降到較低水平，從而導致輸出力矩波形后半段產生衰減。此過程中的A相電流可表示為：

(3)

式中：iLa(t)為電機A相電流瞬時值，K為PWM波形的占空比，U為輸入直流電壓，Ra為電機A相電阻，La為電機A相電感，t為時間，Ilim為限流值大小。

針對上述限流控制產生的弊端，本文提出偏轉換相角控制策略，在每相開通和關斷角度的基礎上進行偏轉，充分提高單位周期內的相電流有效值，減小電流迅速下降導致的轉矩損失。如圖7和圖8所示，將零位對齊后，利用參數化模塊將偏轉角設置為變量，分別計算-6°至+8°的換相偏轉角度下的轉矩表現。

圖7 不同關斷角度調整下的相電流對比

圖8 不同關斷角度調整下的輸出轉矩表現

3 試驗方案及驗證

對起動電機樣機在專用測試臺上進行了不同偏轉角控制的負載試驗，試驗裝置原理如圖9所示，主要包括環境模擬箱、測功機、測功變頻器、操作臺及上位機、測溫儀、高溫箱和負載等，起動電機及一體化控制器樣機照片如圖10所示，試驗測試數據如表2所示。

圖9 試驗裝置原理圖

圖10 起動電機及控制器樣機照片

表2 電機輸出轉矩實測值

從表2可知，在相同的電流限幅值下，(20+4)°調整后的換相效果最佳，輸出轉矩最大達5.53 N·m，與不做調整的標準換相角(20+0)°相比，轉矩提升0.24 N·m，占比4.53%，說明采用調整換相角控制可以改善輸出轉矩波形，提高平均輸出轉矩大小，同時計算值得到的輸出轉矩與實測值基本符合，也證明了該優化策略的有效性。

4 結語

本文通過對某型航空無刷起動電機本體電磁特征和傳統控制策略的工作機理進行分析，指出了傳統控制方式的不足，并優化了電路結構，實現了限流控制效果，同時針對原換相角控制策略進行了改進，通過對理想換相角度增加偏轉角的方式補償了限流控制帶來的轉矩損失，提高了限流控制下的轉矩輸出平均值，最后利用參數化仿真對比了不同方向和大小的偏轉角下電機輸出力矩大小，通過研究發現電機輸出力與偏轉角度并非正比例關系，而是存在一個最佳偏轉角來提高輸出力矩大小。

本文的研究結果適用于采用限流控制的無刷直流永磁電機，通過采取新的控制策略，優化成本較低，能夠在原有電流限制基礎上進一步提升帶載能力的同時又保證電流全程限制在功率器件可承受范圍內，可以為行業內航空無刷起動電機與控制器的匹配設計提供了一種新思路。